DE3639497A1 - Fokusfeststellungsvorrichtung - Google Patents

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf die Fokusfeststellungsvorrichtung, die für solche optischen und medizinischen Instrumente hergerichtet ist, wie fotografische Kameras, Mikroskope, harte Endoskope und Netzhautkameras.

Für diese Art einer Fokusfeststellungsvorrichtung wurde konventionellermaßen eine Lichtprojektionserfassungsmethode adaptiert, um zu einer Fokusfeststellungsvorrichtung zu gelangen, die von hochgradiger Reaktion und Präzision ist. Jedoch wurde in der Fokuserfassungseinrichtung des TTL-Systems (Transistor-Transistor- Logik-System), da das projizierte Licht das visuelle Beobachtungsfeld überlappt, ein infrarotes Licht benutzt. Das sichtbare und das infrarote Licht sind in der chromatischen Abweichung voneinander derartig unterschiedlich, daß eine Art von Korrektionsmechanismus erforderlich ist. Dieses Erfordernis hat sich insbesondere bei Mikroskopen zu einem großen Problem entwickelt, bei denen Wechselobjektive in Gebrauch sind, die sich im Korrektionsbetrag der chromatischen Abweichung unterscheiden. Z. B. ist es beim Gegenstand der nach der japanischen Veröffentlichung Nr. 58-217909 notwendig, die Fokusposition des infraroten Lichtes dadurch zu justieren, daß ein Linsensystem vorgesehen ist, welches um eine festgelegte Entfernung in Richtung der optischen Achse bewegbar ist. Fig. 1A zeigt eine Weise, in der ein Bild mit einem Objektiv X geformt wird, wobei die durchgezogene Linie ein sichtbares Licht und die punktierte Linie ein infrarotes Licht darstellt. Fig. 1B zeigt eine bildformende Art mit einem Objektiv Y, die sich von obigem unterscheidet. Aus diesen Abbildungen ist zu erkennen, daß, falls das Bild durch das sichtbare Licht in derselben Position M erzeugt wird, das Bild durch das infrarote Licht in unterschiedlichen Positionen Nx, Ny erzeugt wird, da mit den Objektiven der Korrekturbetrag der chromatischen Abweichung unterschiedlich ist. Als Resultat fällt das infrarote Licht von einer Laserdiode LD abgelenkt auf einen Detektor D und wird als sich außerhalb des Fokus befindlich bewertet. Daher ist es notwendig, den Fokus durch Bewegen einer Korrekturlinse C zu justieren, wie es in Fig. 1C gezeigt wird.

Wie oben zum Stand der Technik beschrieben, ist die Infrarotlicht-Fokussierungsposition durch Bewegen einer Korrekturlinse zu korrigieren, aber - da die Fokuspositionsabweichung mit den Objektiven unterschiedlich ist - ist es notwendig, die Infrarotlicht-Fokussierungskorrektionslinse zu bewegen, wann immer die Objektive auszutauschen sind.

Im Hinblick auf die oben erwähnten Umstände ist es eine der vornehmlichen Aufgaben der Erfindung für eine Fokuserfassungsvorrichtung zu sorgen, die keine Fokuspositionskorrektur durch eine Korrekturlinse erforderlich macht.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, für eine Fokusfeststellungsvorrichtung zu sorgen, mit welcher bei allen zu verwendenden Objektiven ein hoher Grad an Präzision und Erfassungssensitivität erreicht wird.

Nach dieser Erfindung werden diese Aufgaben dadurch gelöst, daß folgendes vorgesehen wird: Ein Objektiv; eine Lichtquelleneinrichtung, welche ein infrarotes Licht durch die Peripherie der Pupille eines in-Fokus-Position befindlichen Objektives auf ein Objektiv projiziert; ein zwischen dem Objektiv und einer Tubuslinse und der Position eines durch diese Linse geformten Bildes vorgesehenes, kontrahierendes optisches System, welches eine positive Refraktionskraft aufweist, welche die Positionsabweichungen von in verschiedenen Positionen in Richtung der optischen Achse durch verschiedene Objektive geformte infrarote Lichtbilder zusammenzieht; ein Lichtempfangselement, welches das vom Objektiv durch das Objektiv und das kontrahierende optische System reflektierte Licht empfängt; und eine Beurteilungseinrichtung, die beurteilt, ob sich oder sich nicht das Objektiv in einer in-Fokus-Position befindet, dadurch, daß die Eingangspositionsabweichung des in die Lichtempfangseinrichtung eintretenden infraroten Lichtes festgestellt wird.

Nach einer bevorzugten Anordnung dieser Erfindung wird das kontrahierende optische System als auf der bildformenden Seite von der Zwischenlage zwischen dem Objektiv oder der Tubuslinse und der Position des durch diese Linse geformten Bildes liegend vorgesehen, so daß die Positionsabweichung leicht zusammengezogen werden kann.

Nach einer weiteren, bevorzugten Anordnung dieser Erfindung schließt die Lichtquelleneinrichtung ein: ein Paar lichtemittierende Elemente; Lichtsammellinsen, die jeweils vor den diesbezüglichen lichtemittierenden Elementen angeordnet sind; ein Prisma zur Lenkung eines Paares von Lichtbündeln, welches durch die entsprechenden Lichtsammellinsen gebildet wurde, zur Objektoberfläche durch das Objektiv hindurch; und es findet ein Halbleiterpositionsdetektor für die Lichtempfangseinrichtung Verwendung, so daß ein Signal in die Beurteilungseinrichtung mit Echtzeit eingegeben werden kann und die Fokussierungsgeschwindigkeit als Ergebnis ansteigt.

Nach einer noch weiteren bevorzugten Anordnung dieser Erfindung ist das in der Lichtquelleneinrichtung eingeschlossene Prisma in Richtung der optischen Achse bewegbar angeordnet und wird als Strahlenweg- Wechseleinrichtung benutzt, so daß eine hochgradige Feststellungspräzision und Feststellungssensitivität bei allen zu benutzenden Objektiven erzielt werden kann.

Nach einer noch anderen bevorzugten Anordnung wird ein Paar von Lichtbündeln, das von einem ersten Strahlenteiler reflektiert und von einem Paar lichtemittierender Elemente emittiert wird, auf die Objektoberfläche durch einen zweiten Strahlenteiler, der in einem Teil eines Schnellrückstellspiegels vorgesehen ist, und durch eine Abbildungslinse gelenkt, so daß die Fokuserfassungsvorrichtung mit Leichtigkeit innerhalb eines Kameragehäuses eingebaut werden kann.

Diese und andere Vorteile der Erfindung werden anhand der Beschreibung und in den Ansprüchen weiter verdeutlicht werden.

Die Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1A, B, und 1 C sind Darstellungen zur Erklärung der Bildformungsweisen in konventionellen Fokusfeststellungsvorrichtungen.

Fig. 2 und 3 sind Darstellungen zur Erklärung des fundamentalen Prinzips der Fokusfeststellungsvorrichtung gemäß dieser Erfindung.

Fig. 4 A, 4 B und 4 C sind Darstellungen zur Erklärung der bildformenden Stadien, falls das kontrahierende Linsensystem nicht angeordnet bzw. falls es angeordnet ist.

Fig. 5 A und 5 B sind eine erläuternde bzw. grafische Darstellung der Weise, wie ein Bild mit dem kontrahierenden Linsensystem geschaffen wird.

Fig. 6 ist eine Darstellung, die das erste Ausführungsbeispiel eines optischen Systems nach dieser Erfindung zeigt.

Fig. 7 ist eine Darstellung des Beispiels eines optischen Mikroskopsystems, welches mit der Fokusfeststellungsvorrichtung gemäß dieser Erfindung ausgestattet ist.

Fig. 8 ist eine Darstellung zur Erklärung der Wirkungsweise der Strahlenweg-Wechseleinrichtung in Fig. 7.

Fig. 9 ist ein Blockschaltbild einer Signalaufbereitungseinrichtung, die zusammen mit dem optischen Fokusfeststellungssystem gemäß dieser Erfindung benutzt wird.

Fig. 10 ist eine Schnittansicht, die ein Beispiel des Aufbaues des Lichtempfangselementes zeigt.

Fig. 11 ist ein Blockschaltbild, welches den detaillierten Aufbau eines Steuerkreises in der oben erwähnten Signalaufbereitungseinrichtung zeigt.

Fig. 12 A und 12 E sind Darstellungen, welche die Signalaufbereitungsschritte in der oben erwähnten Signalaufbereitungseinheit zeigen.

Fig. 13 ist eine Darstellung, die ein Ablaufdiagramm jenes Falles zeigt, in welchem ein Mikroprozessor für die oben erwähnte Signalaufbereitungsanlage Verwendung findet.

Fig. 14 ist die perspektivische Ansicht eines wesentlichen Teiles einer ein-linsigen Reflexkamera, die mit einer optischen Fokusfeststellungsvorrichtung gemäß dieser Erfindung ausgerüstet ist.

Zunächst einmal soll das auf diese Erfindung angewandte fundamentale Prinzip der Fokusfestellungsvorrichtung unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 erklärt werden. In den Zeichnungen bezeichnet die Bezugsziffer 1 eine Abbildungslinse oder ein Objektiv, 2 ein Objekt, 3 ein Lichtempfangselement, 4 einen Strahlenteiler, 5 und 6 Lichtsammelkleinstlinsen, 7 und 8 lichtemittierende Elemente.

Fig. 2 stellt ein im-Fokus-Stadium dar, worin ein vom lichtemittierenden Element 7 emittiertes Lichtbündel die Kleinstlinse 5 durchläuft, dann in einer Position P konjugiert mit der Bildoberfläche der Linse 1 gesammelt wird, dann weiterhin von dem Strahlerteiler 4 geteilt wird, zu einem Lichtbündel A wird und geformt wird, um ein Punktbild Q auf dem in einer im-Fokus-Position liegenden Objekt 2 zu bilden. Falls das Objekt 2 ein lichtstreuendes Objekt ist, wird das Punktbild Q zu einem Lichtbündel, welches die Apertur der Linse 1 ausfüllt und wird dazu gebracht, ein Punktbild Q′ auf dem auf die Bildoberfläche gesetzten Lichtempfangselement 3 zu bilden. Falls das Objekt 2 eine Spiegeloberfläche ist, wird das Punktbild Q zu einem Lichtbündel B werden und wird dazu gebracht, ein Punktbild Q′ auf dem Lichtempfangselement 3 zu werden. Andererseits durchläuft das vom lichtemittierenden Element 8 emittierte Licht die Kleinstlinse 6 und wird auf dieselbe Weise dazu gebracht, das Punktbild Q′ auf dem Lichtempfangselement 3 zu bilden (s. das Lichtbündel B). Daher findet man, daß im Falle eines im-Fokus-Stadiums beide Punktbilder vom lichtemittierenden Element 7 und vom lichtemittierende Element 8 zu einem perfekt zusammenfallenden identischen Punkt auf dem Lichtempfangselement 3 werden.

Auf der anderen Seite zeigt Fig. 3 ein außer-Fokus- Stadium, worin das vom lichtemittierenden Element 7 emittierte Lichtbündel die Kleinstlinse 5 durchläuft, dann die Position P konjugiert mit der Bildoberfläche der Linse 1 passiert, vom Strahlenteiler 4 reflektiert wird, von der Linse 1 zu einem Lichtbündel A wird und dazu gebracht wird, ein außer-Fokuspunktbild Q _A auf dem Objekt in einer außer-Fokusposition zu werden. Nebenbei gesagt wird die im-Fokusposition durch 2′ dargestellt. Falls das Objekt 2 ein lichtstreuendes Objekt ist, wird das Punktbild Q _A zu einem Lichtbündel, welches im Durchmesser gleich ist und zur Apertur der Linse 1, wird durch den Strahlenteiler 4 laufen und wird dazu gebracht, ein außer-Fokuspunktbild Q′ auf dem Lichtempfangselement 3 zu bilden. Falls das Objekt 2 eine Spiegeloberfläche ist, wird das Punktbild Q _A zu einem Lichtbündel C und wird dazu gebracht, ein außer-Fokuspunktbild Q _A , auf dem Lichtempfangselement 3 zu bilden. Andererseits läuft das vom lichtemittierenden Element 8 emittierende Lichtbündel durch die Kleinstlinse 6, wird dann auf dieselbe Weise dazu gebracht, ein außer-Fokuspunktbild Q _B auf dem Objekt 2 zu bilden und wird dann dazu gebracht, ein außer-Fokusbild Q′ auf dem Lichtempfangselement 3 zu bilden (siehe Lichtbündel B und D). Somit werden im Fall eines außer-Fokus- Stadiums die Punktbilder Q _A , und Q _B , von den lichtemittierenden Elementen 7 und 8 auf dem Lichtempfangselement 3 in unterschiedlichen Positionen gebildert.

Hier wird sich, falls die lichtemittierenden Elemente 7 und 8 im Falle des im-Fokus-Stadiums wechselseitig erleuchtet und gelöscht werden, die Positionen des Punktbildes auf dem Lichtempfangselement 3 nicht ändern, aber im außer-Fokus-Stadium wird das Punktbild auf dem Lichtempfangselement 3 wechselseitig Q _A , und Q _B , und die Position wird sich ändern. Daher kann im Falle der Fokussierung die Linse 1 ( im Falle eines Mikroskopes das Objekt 2) bewegt werden, so daß sich das Punktbild auf dem Lichtempfangselement 3 bewegen kann.

Ebenfalls kann aus der Punktbildbewegungsrichtung und der Bewegungsmenge beurteilt werden, ob die bildformende Position vor oder hinter der normalen Position liegt, und das Defokussierungsergebnis kann gemessen werden. Insbesondere im Falle, daß der Defokussierungsbetrag klein ist, falls der von den Lichtbündeln durch die lichtemittierenden Elemente 7 und 8 gebildete Winkel ϑ und die Punktbildbewegungsmenge δ ist, kann das Defokussierungsergebnis aus der folgenden Formel ermittelt werden: Nebenbei gesagt, wurde das zu bildende Lichtquellenbild vorstehend als ein Punktbild beschrieben, jedoch muß es nicht immer ein Punktbild sein.

Im folgenden soll das auf diese Erfindung angewandte fundamentale Prinzip des kontrahierenden optischen Systems erklärt werden. Fig. 4A zeigt eine Weise, in welcher das Licht vom Objekt durch ein nicht dargestelltes, auf der linken Seite einer Tubuslinse 0 vorhandene Objektiv zu einem parallen Lichtbündel gemacht wird, und dieses parallele Lichtbündel wird durch die Tubuslinse 0 dazu gebracht, ein Bild zu formen. In der Zeichnung gibt die ausgezogene Linie ein sichtbares Licht wieder, und ein Bild sichtbaren Lichtes wird in einer Position M in einer Entfernung fr von der Tubuslinse 0 gebildet. Die punktierte Linie gibt ein infrarotes Lichtbildformierungsstadium an, falls ein Objektiv X benutzt wird, ein infrarotes Lichtbild wird in der Position Nx um 0,2 fr von der Position des Bildes sichtbaren Lichtes M abgelenkt; die Strichpunktlinie gibt ein Stadium der Formung eines infraroten Lichtbildes an, falls ein Objektiv Y benutzt wird und ein Bild infraroten Lichtes wird in einer Position Ny gebildet, die weiter um 0,4 fr abgelenkt wurde. Zu diesem Zeitpunkt, falls die Vergrösserung des Bildes sichtbaren Lichtes durch β repräsentiert ist, wird das Bild infraroten Lichtes durch das Objektiv X 1,2 β und das Infrarotlichtbild durch das Objektiv Y eine Größe von 1,6 β haben.

Fig. 4B zeigt einen Fall, in welchem eine Konvexlinse C mit einer Brennweite von 2 fr in einer Position 0.2 fr vor dem Bild sichtbaren Lichtes M vorgesehen ist. In diesem Fall wird das Bild infraroten Lichtes Nx vom Objektiv X in einer Position 0.13 fr hinter M gebildet, das Bild infraroten Lichtes Ny vom Objektiv Y wird in einer Position um weitere 0.13 fr nach hinten gebildet und die Bildvergrößerungen werden β bzw. 1.22 β betragen. Somit können, falls eine Konvexlinse zwischen der Tubuslinse 0 und dem Bild sichtbaren Lichtes M angeordnet wird, die Positionsabweichungen der Bilder infraroten Lichtes von den Objektiven X und Y zusammengezogen werden, um 0.13 fr von 0.4 fr zu sein, wenn keine Konvexlinse angeordnet ist und die Veränderungen der Bildvergrößerung kleiner werden.

Fig. C zeigt einen Fall, in dem eine Konvexlinse C′ mit einer Brennweite von 0.2 fr in einer Position 0.2 fr vor dem Bild sichtbaren Lichtes M angeordnet ist. Das Bild infraroten Lichtes Nx vom Objektiv X wird 0.07 fr vor M gebildet und das Bild infraroten Lichtes Ny vom Objektiv Y wird in einer Position 0.05 fr vor M gebildet. Die Bildvergrößerung wird 0.5 β im Bild sichtbaren Lichtes und wird 0.33 β und 0.25 β in den Bildern infraroten Lichtes von den Objektiven X und Y sein. Wenn schließlich ein aus einem konvexen Linsensystem bestehendes kontrahierendes optisches System zwischen der Tubuslinse 0 und dem Bild sichtbaren Lichtes M angeordnet wird, wird es ermöglicht, die Infrarotlichtbildpositionsabweichung durch die Unterschiede der Objektive so klein zu machen, daß sie 0.21 fr ist und die Bildvergrößerungsveränderung wird vorteilhafterweise so klein sein. Hier wird, falls ein virtuelles Bild in einer Entfernung a von der Linsenoberfläche zu einer Position b von der Linsenoberfläche durch eine kontrahierende Linse C mit einer Brennweite s, wie in Fig. 5A dargestellt, projiziert wird, eine Formel Gültigkeit haben. Die Relation zwischen a und b in diesem Falle wird in Fig. 5B dargestellt. In dieser graphischen Darstellung erfüllt der von den gestrichelten Linien bezeichnete Abschnitt die erläuterten Bedingungen, in dem beide der oben beschriebenen Fig. 4B und 4C herangezogen werden. Das heißt, sogar wenn die Entfernung a stark variiert, wird die Veränderung der Entfernung b klein sein.

Insbesondere wenn die Entfernung b sehr nahe der Brennweite der kontrahierenden Linse kommt, ist diese Tendenz bemerkenswert. Nebenbei gesagt, wird in der Praxis, wenn der rückseitige Fokus der kontrahierenden Linse dazu gebracht wird, im wesentlichen mit der bildformenden Oberfläche zusammenzufallen, der rückseitige Fokus hinter der Mitte der Tubuslinse und der bildformenden Oberfläche liegen. Das heißt, es ist vorzuziehen, ein Linsensystem mit einer Brennweite von weniger als 1/2 der Tubuslinse - wie angeordnet - zu gebrauchen, so daß sich der rückseitige Fokus nicht so sehr von der bildformenden Oberfläche trennt.

Wie vorstehend beschrieben, wird es möglich sein, daß, wenn ein kontrahierendes optisches System zwischen dem Objektiv oder der Tubuslinse und der bildformenden Oberfläche vorgesehen wird, die Infrarotlichtbildpositionsabweichung zusammengezogen wird. Daher kann für eine Fokusfeststellungsvorrichtung gesorgt werden, die auf die Benutzung verschiedener, unterschiedlicher Objektive ansprechen kann, indem lediglich das elektrische System des Schaltkreises, der die Fokusfeststellungsvorrichtung bildet, reguliert wird.

Fig. 6 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für den Fall, daß diese Erfindung für ein optisches Mikroskopsystem angewandt wird, in dem eine Fokussierungsvorrichtung nach dem oben erwähnten Prinzip benutzt wird. In der Zeichnung stellen die Bezugsziffern dar. 9 ein Objektiv, 10 eine Tubuslinse, 11 eine kontrahierende Linse, 12 eine Linse, die einen infraroten Lichtpunkt projiziert, 13 ein Prisma, 14 und 15 Kleinstlinsen, 16 und 17 derartige lichtemittierende Elemente, wie beispielsweise Laser-Dioden, 18 eine Detektorlinse, 19 ein Lichtempfangselement und 20 einen Strahlteiler. Das abwechselnd von den lichtemittierenden Elementen 16 und 17 emittierte Licht durchläuft die Kleinstlinsen 14 und 15, wird in der Richtung durch das Prisma 13 geändert, läuft durch den Strahlenteiler 20, wird durch die Projektionslinse 12 auf eine Bildoberfläche projiziert, läuft weiterhin durch die kontrahierende Linse 11, die Tubuslinse 10 und das Objektiv 9 und wird auf eine Probe projiziert. Das von der Probe refelektierte Licht läuft wiederum durch das Objektiv 9, die Tubuslinse 10, die kontrahierende Linse 11 und die Projektionslinse 12, wird vom Strahlenteiler 20 reflektiert und wird dazu gebracht, einen Punkt auf dem Lichtempfangselement 19 durch die Detektorlinse 18 zu erzeugen. Der Strahlenteiler 20 kann ein Polarisationsstrahlteiler sein, jedoch wird in einem solchen Fall eine λ/4-Platte in einer angemessenen Position zwischen dem Strahlenteiler und dem Muster, wie durch die Strichpunktlinie in Fig. 6 angegeben, angeordnet.

Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Mikroskopvorrichtung, welche das optische System des oben erwähnten ersten Ausführungsbeispiels anwendet. Hier sind jeweils dieselben Bezugsziffern denselben Bestandteilen, wie in Fig. 6, zugeordnet. Weiterhin bezeichnen die Bezugsziffern 22 einen dichroitischen Spiegel, 23 ein Prisma, welches eine Halbspiegeloberfläche hat, 24 einen Infrarotlichtschnittfilter, 25 ein Okular und 26 einen Film. Diese bilden zusammen mit dem Objektiv 9 und der Tubuslinse 10 ein optisches Beobachtungs- und Fotografiersystem. Es bezeichnen die Bezugsziffern 27 einen Halbspiegel, 28 eine Kondensatorlinse und 29 eine Beleuchtungslichtquelle. Diese bilden zusammen mit dem Objektiv 9 ein optisches Beleuchtungssystem. Es bedeuten die Bezugsziffern 30 einen Ständer, der eine Zahnstange hat und in Richtung der optischen Achse (in vertikale Richtung) beweglich ist, und 32 einen Motor, in welchem ein mit der Zahnstange in Eingriff stehendes Zahnrad an einer rotierenden Welle befestigt ist, um den Ständer anzutreiben.

Da die Vorrichtung in Fig. 7, wie vorstehend erwähnt, ausgestaltet ist, wird das abwechselnd von den lichtemittierenden Elementen 16 und 17 emittierte infrarote Licht auf ein Muster B durch die Kleinstlinsen 14 und 15, das Prisma 13, den Strahlenteiler 20, die Projektionslinse 12, die kontrahierende Linse 11, die Tubuslinse 10 und das Objektiv 9 projiziert, dann läuft es wieder durch das Objektiv 9, die Tubuslinse 10, den dichroitischen Spiegel 22, die kontrahierende Linse 11 und die Projektionslinse 12, wird vom Strahlenleiter 20 reflektiert und wird dazu gebracht, ein Punktbild durch die Detektorlinse 18 auf ein PSD 19, welches ein Lichtempfangselement ist, zu produzieren. Im Falle eines außer-Fokuszustandes werden die Punktbilder von den lichtemittierenden Elementen 16 und 17 auf dem PSD 19 in jeweils unterschiedlichen Positionen festgestellt und werden daher abwechselnd durch Erleuchten und Löschen der lichtemittierenden Elemente 16 und 17 bewegt. Im Falle eines im-Fokuszustandes werden beide der Punktbilder der lichtemittierenden Elemente 16 und 17 in derselben Position gebildet und werden daher nicht bewegt, auch nicht durch Erleuchten und Löschen der beiden lichtemittierenden Elemente. Als Ergebnis erfolgt ein Fokussierungsablauf durch Bewegen des Musters B, ohne daß die Punktbilder bewegt werden. Auch kann aus der Bewegungsrichtung und der Anzahl der Punktbilder, die den Fokussierungsvorgang begleiten, beurteilt werden, ob die Bildposition vor oder hinter der normalen Position liegt und der Defokussionswert kann gemessen werden.

Nebenbei gesagt, kann in diesem fall durch Bewegen des Prismas 13 in Richtung der optischen Achse, wie durch die unterbrochene Linie angegeben, ein Lichtbündel in Übereinstimmung mit dem Pupillendurchmesser des Objektives 9 projiziert werden. Das heißt, wenn das Prisma 13 in die Richtung, die durch den Pfeil in Fig. 8 angegeben ist, bewegt wird, wird das Lichtbündel in Richtung von der optischen Achse abgelenkt, so daß es in der Lage ist, in Übereinstimmung mit einem größeren Pupillendurchmesser einzufallen. Falls das Prisma 13 entgegen der durch den Pfeil angegebenen Richtung bewegt wird, wird sich das Lichtbündel in die sich der optischen Achse nähernden Richtung verschieben, um so in die Lage versetzt zu werden, in Übereinstimmung mit einem kleineren Pupillendurchmesser einzufallen. Somit werden die Mängel, daß, falls der Durchmesser des einfallenden Lichtbündels kleiner als der Pupillendurchmesser des Objektives 9 ist, die Brennweite tiefer wird und sich die Präzision der Fokusfeststellung verschlechtert, und, daß und falls der Durchmesser des einfallenden Lichtbündels wesentlich größer als der oben erwähnte Pupillendurchmesser ist, die offenbar nutzbare Lichtmenge abnimmt und sich die Präzision der Fokusfeststellung verschlechtert, behoben, und bei allen Objektiven wird eine hochgradige Feststellungspräzision und Feststellungssensitivität erreicht.

Fig. 9 zeigt eine Signalaufbereitungseinrichtung, die auf die vorstehend erwähnten, jeweiligen Ausführungsbeispiele anwendbar ist. Zunächst soll der detaillierte Aufbau des Lichtempfangselementes 19 unter Bezug auf die Fig. 10 erklärt werden. Die Bezugsziffern stellen dar: 34 ein Si-Substrat hohen Widerstandes, 35 eine p-leitende Widerstandsschicht, 36 eine n⁺- Schicht, 37 eine gemeinsame Elektrode, 38 und 39 Elektroden. Die Oberflächenschicht dient zur Entwicklung eines fotoelektrischen Effekts mit einem p-n-Übergang. Wenn daher ein Licht in die p-leitende Widerstandsschicht 35 eintritt, werden von den Elektroden 38 und 39 in Reaktion auf die Eintrittsposition entsprechende Ausgangsströme I _A und I _B erhalten. Wenn die Entfernung zwischen den Elektroden 38 und 39 durch ℓ symbolisiert, der Widerstand durch Rℓ symbolisiert, die Entfernung von der Elektrode 38 zur Lichteintrittsposition durch x symbolisiert, der partielle Widerstand durch Rx symbolisiert und der vom eintretenden Licht erzeugte fotolektrische Strom durch I ₀ symbolisiert wird, wird gebildet. Falls die Widerstandsschicht gleichförmig ist, erhält man die folgende Formel: Wenn daher die Formel aus den Ausgangsströmen I _A und I _B der Elektroden 38 und 39 wirksam wird, wird die Lichteintrittsposition, d. h. die Entfernung x ungeachtet der Eintrittsenergie festgestellt, d. h. die eintretende Lichtmenge. Nebenbei gesagt, wird die eintretende Lichtmenge aus der folgenden Formel festgestellt:

I ₀ = I _A + I _B (5)

Zurückkehrend zur Fig. 9 bezeichnen die Bezugsziffern 40 und 40′ Stromverstärker zur Verstärkung der Ausgangsströme I _A und I _B von den zwei Elektroden 38 und 39 des Lichtempfangselementes 19. Die Ausgangsleistungen werden durch V _A und V _B symbolisiert. Es bezeichnen die Bezugsziffern 41 ein Subtraktionsteil zur Berechnung (V _A -V _B ), 42 ein Additionsteil zur Berechnung (V _A + V _B ), und 43 ein Dividierteil zur Berechnung (V _A -V _B ) / (V _Y + V _B ) (entsprechend der Formel (4)). Die Bezugsziffer 44 bezeichnete ein Steuerungsteil zur Steuerung eines Ständerantriebsteils 55 in Rekation auf das Ausgabesignal, nachdem die Gleichstromvorspannungskomponente vom Ausgabesignal des Dividierteiles 43 entfernt wurde. Seine Schaltungsanordnung ist z. B. wie in Fig. 11 dargestellt. Es bezeichnen die Bezugsziffern 47 ein Gleichrichtungsteil, 48 ein Differenzierteil, 49 einen Komparator, 50 ein Nullpegelfeststellungsteil. Das Wechselstromausgabesignal vom Dividierteil 43 wird durch das Gleichrichtungsteil 47 in ein Gleichstromsignal umgewandelt. Ob das Gleichstromsignal positiv oder negativ ist, wird vom Komparator durch das Differenzierteil beurteilt und es wird beurteilt, ob das oben erwähnte Signal abnimmt oder zunimmt. Falls es zunimmt, wird die Ständerantriebsrichtung umgekehrt, ein im-Fokuszustand wird ermittelt durch Feststellung mit dem Nullpegelfeststellungsteil, das das Signal Null wurde und der Antrieb des Ständers wird gestoppt. Nebenbei gesagt, bezeichnet die Bezugsziffer 46 ein Lichtquellenantriebsteil zum wechselseitigen Erleuchten und Löschen der lichtemittierenden Elemente 16 und 17.

Da die Fokusfeststellungsvorrichtung nach dieser Erfindung wie oben beschrieben ausgebildet ist, wenn nämlich der Ständer 30 in eine fixierte Position gebracht wird und die Lichtquellen 16 und 17 veranlaßt werden, in einem außer-Fokuszustand durch das Lichtquellenantriebsteil 46 abwechselnd ein Licht zu emittieren, wird ein Signal fester Amplitude, wie z. B. in Fig. 12A dargestellt, von dem Dividierteil 43 ausgegeben. Hier wird die Amplitude dieses Signals zu einem Kriterium der Abweichung vom im-Fokuszustand und bedeutet, daß, falls die Amplitude = 0 ist, ein im-Fokuszustand hergestellt wird. Daher wird sich, wenn der Ständer 30 nach und nach längs der optischen Achse bewegt wird, das Ausgabesignal des Dividierteils 43 so verändern, um ein Signal zu sein, wie es in den Fig. 12B oder 12C dargestellt ist. Wenn dieses Signal durch das Gleichrichtungsteil 47 gleichgerichtet und geglättet wird, wird es geändert, um ein solches Signal zu sein, wie es in den Fig. 12D oder 12E dargestellt. Wenn es daher durch das Differenzierteil 48 differenziert wird, wird die Inklination der Umhüllenden der Signalveränderung erhalten. Falls diese Inklination negativ ist, wird sich dem in-Fokuszustand genähert, aber wenn sie positiv ist, wird der im-Fokuszustand getrennt sein. Daher wird vom Komparator beurteilt, ob sie positiv oder negativ ist. Wenn ein rückwärts drehendes Signal, falls die Inklination positiv ist, und ein normal drehendes Signal, falls sie negativ ist, jeweils auf das Ständerantriebsteil 45 angewandt werden, wird der Ständer 30 in Richtung auf den im-Fokuszustand bewegt. Wenn die Amplitude = 0 ist, falls die Bewegung des Ständers 30 gestoppt ist, wird der im-Fokuszustand erreicht sein.

Somit ist der Fokus durch die Vorrichtung dieser Erfindung festgestellt. Nach dieser Erfindung ist, da keine Pupillenteilungseinrichtung erforderlich ist, das optische System einfach, und da das Lichtempfangselement von einfachem Aufbau sein kann, ist das Signalaufbereitungssystem einfach und leicht zu regulieren. Da beide, sowohl das optische System als auch das Signalaufbereitungssystem einfach sind, ist die gesamte Anordnung einfach. Als Ergebnis dessen kann die Vorrichtung gemäß dieser Erfindung kostengünstig in optische und medizinische Instrumente eingebaut werden. Da ein Halbleiterpositionsdetektor als Lichtempfangselement benutzt wird, kann das Signal zur Echtzeit eingegeben werden. Als Ergebnis erhöht sich die Fokussiergeschwndigkeit. Falls die Vergrößerung des Systems einschließlich des Objektives durch symbolisiert wird, kann die Ständerbewegung d′ aus von der Formel (1) ermittelt werden.

Fig. 13 zeigt ein Ablaufdiagramm, falls ein einfacher Mikroprozessor für das oben erwähnte Steuerungsteil 44 benutzt wird. Zunächst wird das lichtemittierende Element 16 auf EIN gestellt, die Punktbildposition Q′ _A zu diesem Zeitpunkt wird eingegeben, dann wird lichtemittierende Element 17 auf EIN gestellt und die Punktbildposition Q′ _B zu diesem Zeitpunkt wird eingegeben. Dann wird die Differenz (Bildabweichung) δ = Q′ _A - Q′ _B ermittelt. Das Zeichen δ gibt die Defokusrichtung an. Der absolute Wert von δ entspricht dem Defokusbetrag. Dann wird die vorstehende Formel (1) berechnet, die Bildabweichung δ wird in einen Defokusbetrag d umgewandelt und der Ständer 30 wird angetrieben, um einen im-Fokuszustand zu erhalten. Zu diesem Zeitpunkt wird, falls der Defokusbetrag groß ist, das Muster B reflektiert zurückkehrende Lichtbündel der lichtemittierenden Elemente 16 und 17 durch den Linsenrahmen od. dgl. geschnitten und in seiner Lichtmenge verringert. Daher wird ermöglicht, falls der Fokusbetrag groß ist, wenn die vom Lichtempfangselement 19 erhaltene Lichtmenge (V _A + V _B ) festgestellt ist, der Ständer 30 angetrieben wird, so daß dieser Wert groß werden kann und das Lichtempfangselement 19 in die Lage versetzt wird, die Positionen der Punktbilder Q _A und Q _B festzustellen, die Fokussierungsgeschwindigkeit zu erhöhen. Nebenbei gesagt, kann jedwede gewöhnliche Lampe, LED, Laser oder Halbleiter-Laser für die lichtemittierenden Elemente 16 und 17 benutzt werden, aber praktischerweise werden Infrarot-LED oder Infrarot-Halbleiter-Laser angewandt. Für das Lichtempfangselement 19 können Bildsensoren des sogenannten CCD-Typs oder MOS-Typs anstelle des Halbleiterpositionsdetektors verwendet werden.

Der Fall der Anwendung des vorstehenden Prinzips auf eine einlinsige Reflexkamera soll als ein weiteres Ausführungsbeispiel im folgenden erklärt werden. Fig. 14 zeigt ein derartiges optisches System. Die Bezugsziffern stellen dar: 146 eine Abbildungslinse, 147 einen in einem Rückschnellspiegel vorgesehenen Strahlenteiler, 148 einen Spiegel, 149 eine kontrahierende Linse, 150 einen Strahlenteiler, 151 ein Lichtempfangselement, 152 und 153 Kleinstlinsen, 154 und 155 lichtemittierende Elemente. Wie vorstehend in Fig. 6 ist das selbe optische System in eine einlinsige Reflexkamera eingebaut. In diesem Fall kan das in bezug auf Fig. 9 erklärte Signalaufbereitungssystem so wie es ist verwendet werden, dadurch, daß das Teil zum Antrieb des Ständers 30 durch das Teil zum Antrieb der Linse 246 ersetzt wird. Daher brauchen Aufbau und Wirkungsweise nicht besonders erklärt zu werden.

In jedem der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele wurde die Lichtquelle dahingehend erklärt, daß sie aus einem Paar zu erleuchtender und zu löschender LEDs besteht, aber anstatt dessen kann ein solches optisches System verwendet werden, wie in den Fig. 1A bis 1C dargestellt. Das heißt, daß das mit der kontrahierenden Linse gemäß dieser Erfindung ausgestattete optische System auch auf ein System angewendet werden kann, worin eine einzelne LED zur Lichtquelle gemacht wurde, nämlich das von dieser Lichtquelle emittierte Licht wird durch eine Hälfte der Pupille eines Objektives auf ein Objekt projiziert, nur die Komponente des reflektierten Lichtes, welche durch die übrige Hälfte der Pupille des Objektives hindurchgelaufen ist, wird von einem Lichtempfangselement empfangen, und der im-Fokuszustand wird durch die Fluktuation der Position des Lichtempfangspunktes auf dem Lichtempfangselement festgestellt. In diesem Fall kann ebenfalls, wie in den bereits beschriebenen Ausführungsformen, sogar ohne eine Korrekturlinse, der Fokus mit großer Präzision festgestellt werden.

Nebenbei gesagt, kann das optische System, welches die kontrahierende Linse gemäß dieser Erfindung anwendet, umfassend für eine allgemeine Fokusfeststellungsvorrichtung eines TTL-Typs Verwendung finden (worin ein Licht auf ein Objekt projiziert wird durch ein optisches System oder ein Objektiv, um festzustellen, ob oder ob nicht eine im-Fokusposition gegeben ist, und das vom Objekt reflektierte Licht durch dasselbe optische System oder Objektiv empfangen wird, um den Fokus festzustellen).

Mit der voranstehend beschriebenen Vorrichtung ist eine Fokusfeststellungsvorrichtung geschaffen worden, die folgende Elemente umfaßt: Eine Lichtquelleneinrichtung, die in der Lage ist, ein Paar sich abwechselnder infraroter Lichtbündel zu erzeugen; eine Strahlenweg-Wechseleinrichtung, welche die wechselseitig von der Lichtquelle emittierten infraroten Lichter in Richtung auf das Objektiv lenkt, so daß diese durch die Peripherie der Pupille des Objektives durch verschiedene Bahnen laufen; ein kontrahierendes optisches System, welches zwischen dem Objektiv oder einer Tubuslinse und der bildformenden Oberfläche des Objektives oder der Tubuslinse angeordnet ist, und welches eine positive Refraktionskraft hat, welche die Positionsabweichungen der Infrarotlichtbilder, die in unterschiedlichen Positionen mit den zu verwendenden Objektiven geformt werden, kontrahiert; ein Lichtempfangselement, welches in der Lage ist, die Position des vom Objekt reflektierten Bildes infraroten Lichtes festzustellen, und eine Signalaufbereitungseinrichtung, welche die Positionsabweichung von der in-Fokusposition des Objektives oder einer Abbildungslinse vermittels des Ausgabesignals vom Lichtempfangselement feststellt, um so zu ermöglichen, eine hochgradige Feststellungspräzision und Feststellungssensitivität auf dem Objektiv zu erreichen, ohne daß es einer Justierung der Linse bedarf.

Claims (9)

1. Fokusfeststellungsvorrichtung zur Feststellung einer Fokusposition vermittels der Positionsabweichung eines Objektbildes, die durch Verwendung eines Lichtstrahlenbündels erzeugt wird, das verschiedene Bahnen in einem optischen System durchläuft, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung Lichtquellen (14, 15, 16, 17) zur Erzeugung eines infraroten Lichtbündels (A, B), das über voneinander unterschiedliche Bahnen auf eine Objektoberfläche geleitet wird, ein Objektiv (9), das auf dem Objekt das von den Lichtquellen (14, 15, 16, 17) emittierte Licht sammelt, ein kontrahierendes optisches System (11), das zwischen dem Objektiv (9) oder einer Tubuslinse (10) und der durch die Linse (10) geformten Bildoberfläche angeordnet ist, wobei das kontrahierende optische System (11) eine positive Brechungskraft aufweist, und die Abweichungen der Positionen der in unterschiedlichen Positionen durch verschiedene Objektive zu bildenden Infrarotbilder kontrahiert, ein Lichtaufnahmeelement (19), welches die Position des Lichtstrahlenbündels feststellt, welches vom Objekt reflektiert wurde uund durch die Objektive und das kontrahierende Linsensystem (11) hindurchgelaufen ist, und einen die Positionsabweichung des Bildes vermittels eines von dem Lichtaufnahmeelement (19) abgegebenen Ausgabesignal feststellenden Signalaufbereitungskreis (21, 21′, 22, 23, 24, 25) aufweist.

2. Fokusfeststellungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kontrahierende optische System (11) zwischen der bildformenden Ebene der Tubuslinse (10) und der Mittelstellung zwischen der Tubuslinse (10) und der bildformenden Ebene angeordnet ist.

3. Fokusfeststellungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kontrahierende optische System (11) zwischen der bildformenden Ebene des Objektivs (9) und der Mittelstellung zwischen dem Objektiv (9) und der bildformenden Ebene angeordnet ist.

4. Fokusfeststellungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strahlenweg- Wechseleinrichtung zwischen dem Objektiv (9) und den Lichtquellen (14, 15, 16) zur Weiterleitung des infraroten Lichtes von den Lichtquellen (14, 15, 16) durch die Peripherie der Pupille des Objektives (9) angeordnet ist.

5. Fokusfeststellungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strahlenweg- Wechseleinrichtung (13) zwischen der Tubuslinse (10) und den Lichtquellen (14, 15, 16) zur Weiterleitung des infraroten Lichtes von den Lichtquellen durch die Peripherie der Pupille des Objektives (9) angeordnet ist.

6. Fokusfeststellungsvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenweg- Wechselvorrichtung ein Prisma (13) ist, welches eine reflektierende Oberfläche zur Umlenkung des infraroten Lichtes von den Lichtquellen (14, 15, 16, 17) in Richtung auf das Objektiv (9) aufweist, und das beweglich auf der optischen Achse angeordnet ist.

7. Fokusfeststellungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen als ein Paar lichtemittierender Elemente (16, 17) so ausgebildet sind, daß sie abwechselnd erleuchtbar oder löschbar sind, und ein Paar kleine Linsen (14, 15), die jeweils vor den lichtemittierenden Elementen (16, 17) angeordnet sind, ausgebildet sind.

8. Fokusfeststellungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtemittierende Element als ein infrarotes LED und das Lichtempfangselement als ein CCD-Bildsensor oder ein MOS-Bildsensor ausgebildet ist.

9. Fokusfeststellungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtemittierende Element als ein Infrarot-Halbleiter-Laser und das lichtempfangene Element als ein CCD-Bildsensor oder MOS-Bildsensor ausgebildet ist.